Сотовая Связь

Самую высокую  эффективность использования выделенной полосы частот и, следовательно, наибольшее количество абонентов сети, работающих в этой полосе, обеспечивает разработанный фирмой Motorola (США) способ повторного использования частот, при котором задействуются две базовые станции. При реализации этого способа каждая частота используется дважды в пределах кластера, состоящего из 4 сот (рис. 2.7); базовая станция каждой из них может работать на 12-ти частотах, используя антенны с диаграммой направленности шириной 60°.        

 

2 Система  стандарта GSM

2.1 Общие характеристики

В целом, система  стандарта GSM рассчитана на использование  в коммерческой сфере. Она предоставляет  пользователям широкий спектр услуг  и возможность применения разнообразного оборудования для передачи речевых  сообщений и данных, сигналов вызова и аварийных сигналов, а также  возможность подключения к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных и цифровым сетям с интеграцией служб.

При создании этого  стандарта и сетей сотовой  связи на его основе было принято согласованное решение о поэтапном развитии услуг, предоставляемых абонентам. Начальный этап — «Фаза 1» — фактически совпал с вводом в строй в 1991 г. первых сетей GSM. В число услуг этого этапа входят:

- Переадресация  вызова (Callforwarding)

- Запрет вызова (Callbarring)

- Ожидание вызова (Callwating)

- Удержание вызова (Callholding)

- Глобальный  роуминг (Globalroaming).

Переадресация вызова дает возможность перевода входящих вызовов на другой телефонный номер  в тех случаях, когда номер  занят или абонент не отвечает, когда телефон выключен или находится  вне зоны обслуживания сети и т. п. Кроме того, возможна переадресация  факсов и компьютерных данных.

Запрет вызова позволяет наложить запрет на все  входящие/исходящие звонки, запрет на исходящие международные звонки, запрет на входящие звонки — за исключением  внутрисетевых.

Ожидание вызова позволяет принять входящий вызов  в тот момент, когда вы с кем-то разговариваете. При этом первый абонент  или по-прежнему будет находиться на связи, или разговор с ним может быть завершен.

Удержание вызова — позволяет, не разрывая связь с  одним абонентом, позвонить (или ответить на входящий вызов) другому абоненту.

Глобальный роуминг  дает возможность при посещении  любой из стран, с которой ваш  оператор подписал соответствующее  соглашение, пользоваться своим сотовым телефоном GSM без изменения номера.

По мере развития технологии сотовых сетей абонентам  предлагались и другие услуги. Второй этап развития GSM — «Фаза 2» —  завершился в 1997 году и наряду с услугами этапа «Фаза 1» предоставил абонентам такие услуги:

- Определение номера вызывающей линии (Calling Line Identification Presentation)

- Антиопределитель номера (Calling Line Identification Restriction)

- Групповой вызов  (Mutti party)

- Создание закрытой  группы (Closed User Group)

- Информация  о стоимости разговора

- Совет по  оплате (Advice of Charge)

-Обслуживание  дополнительной линии (Alternative Line Service)

- Прием коротких  текстовых сообщений (Short Message Service)

- Система голосовых  сообщений (Voice mail)

Определение номера вызывающей линии позволяет при  входящем вызове высвечивать на экране телефона номер вызывающего абонента.

Антиопределитель номера позволяет запретить определение собственного номера при соединении с другим абонентом.

Групповой вызов  позволяет организовать режим телеконференции  или конфе-ренц-связи, объединяя до пяти абонентов в группу, и вести переговоры между всеми членами группы одновременно.

Создание закрытой группы (до десяти абонентов) позволяет  создавать группу пользователей, члены  которой могут связываться только между собой. Чаще всего к этой услуге прибегают компании, предоставляющие  терминалы своим служащим для работы.

Информация о  стоимости разговора основана на использовании таймера, который определяет время занятости линии, и счетчика вызовов. Благодаря этой услуге можно проверять оставшийся на счете кредит.

Совет по оплате — позволяет по требованию пользователя производить проверку стоимости  и длительности разговора в то время, когда телефон находится  на связи.

Обслуживание  дополнительной линии дает возможность  пользователю приобрести два номера, которые будут приписаны к одному телефону. В этом случае связь выполняется по двум линиям с предоставлением двух счетов, двух голосовых ящиков и т. п.

Прием коротких текстовых сообщений (SMS) дает возможность  приема и передачи сообщений до 160 знаков.

Система голосовых сообщении позволяет автоматически переводить входящие звонки на персональный автоответчик (голосовая почта). Пользоваться этим можно только в том случае, если у абонента активирована услуга «Переадресация вызова».

Следующий этап развития сетей стандарта GSM, получивший название «Фаза 2+», не связан с конкретным годом внедрения. Новые услуги и  функции стандартизируются и будут внедрены сразу после подготовки и утверждения их технических описаний. Все работы по этапу «Фаза 2+» проводились Европейским институтом стандартизации электросвязи (ETSI). Количество уже внедренных и находящихся в стадии утверждения услуг превышает 50. Среди них можно выделить следующие:

- Улучшенное  программное обеспечение SIM-карты

- Улучшенное  полноскоростное кодирование речи EFR (Enhanced Full Rate)

- Возможность  взаимодействия между системами  стандартов GSM и DECT

- Повышение скорости  передачи данных за счет пакетной  передачи данных GPRS (General Packet Radio Service) или за счет системы передачи данных по коммутируемым каналам HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)

По сравнению  с другими широко распространенными  цифровыми стандартами GSM обеспечивает лучшие энергетические характеристики, более высокое качество, безопасность и конфиденциальность связи. Приемлемое качество принимаемых речевых сообщений в стандарте GSM обеспечивается при отношении «сигнал/шум» на входе приемника, равном 9 дБ (для стандарта D-AMPS, например, это отношение составляет около 16 дБ), а энергетические затраты в реальных каналах связи (при замирании сигналов) на 6—10 дБ ниже по сравнению со стандартом D-AMPS.

Стандарт GSM, кроме  того, предоставляет своим пользователям  ряд услуг, которые не реализованы (или реализованы не полностью) в других стандартах сотовой связи. К ним относятся:

- Использование  интеллектуальных SIM-карт для обеспечения  доступа к каналу и услугам связи

- Шифрование  передаваемых сообщений

- Закрытый от прослушивания радиоинтерфейс

- Аутентификация  абонента и идентификация абонентского  оборудования по криптографическим  алгоритмам

- Использование  служб коротких сообщений, передаваемых  по каналам сигнализации

- Автоматический  роуминг абонентов GSM в национальном  и международном масштабах

- Межсетевой  роуминг абонентов GSM с абонентами  сетей стандартов DCS1800, PCS1900, DECT, а  также со спутниковыми сетями  персональной радиосвязи (Globalstar, Inmarsat-P, Iridium)

В соответствии с Рекомендацией СЕРТ 1980 г., касающейся использования частот подвижной связи в диапазоне 862—960 МГц, стандарт GSM цифровой общеевропейской сотовой системы наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот. Диапазон частот 890—915 МГц используется для передачи сообщений с подвижной станции на базовую, а диапазон 935—960 МГц — для передачи сообщений с базовой станции на подвижную. Причем при переключении каналов во время сеанса связи разность между этими частотами постоянна и равна 45 МГц.

Разнос частот между соседними каналами связи  составляет 200 кГц. Таким образом, в отведенной для приема/передачи полосе частот шириной 25 МГц размещаются 124 канала связи.

В стандарте GSM используется многостанционный доступ с временным разделением (уплотнением каналов — ТОМА), что позволяет на одной несущей частоте разместить 8 речевых каналов одновременно. В качестве речепреобразую-щего устройства используется речевой кодек RPE-LTP с регулярным импульсным возбуждением и скоростью преобразования речи 13 Кбит/с.

Обработка речи в данном стандарте осуществляется в рамках принятой системы прерывистой  передачи речи DTX (Discontinuous Transmission), которая обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора (рис. 2.38). Система DTX управляет детектором активности речи VAD, который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи.

Для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах, применяется  блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот в процессе сеанса связи (со скоростью 217 скачков в секунду).

Для борьбы с  интерференционными замираниями принимаемых  сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации оборудования рассчитана на компенсацию (до 233 мкс) абсолютного времени задержки сигналов. Это соответствует максимальной дальности связи 35 км (максимальный размер соты). Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовкая частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется так потому, что последовательность информационных битов до модулятора проходит через фильтр нижних частот с гауссовской амплитудно-частотной характеристикой, что дает значительное уменьшение ширины полосы частот излучаемого сигнала. Формирование GMSK-сигнала происходит таким образом, что на интервале, соответствующем одному биту, фаза несущей частоты изменяется на 90°. Это наименьшее изменение фазы, которое может быть обнаружено при данном типе манипуляции. Выходной сигнал с непрерывным изменением фазы аналогичен сигналу, полученному в результате частотной модуляции с дискретным изменением частоты. Принцип формирования GMSK-сигнала представлен на рис. 2.39.

В стандарте GSM используется модуляция с нормированной полосой  ВТ = 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ; Т — длительность передачи одного бита.

Основой формирователя GMSK-сигнала является I/Q-модулятор, который  состоит из двух умножителей и  одного сумматора.

Модуляцию GMSK характеризуют  следующие свойства:

- Постоянная  по уровню огибающая, позволяющая  использовать передающие устройства  с усилителями мощности класса С

- Узкий спектр  на выходе усилителя мощности  передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения

- Хорошая помехоустойчивость  канала связи

Каждый подвижный  абонент на время пользования  системой GSM сотовой связи получает стандартный модуль подлинности абонента — SIM-карту, которая содержит: международный идентификационный номер абонанта (IMSI), индивидуальный ключ аутентификации (К/), алгоритм аутентификации (A3). С помощью этой информации, в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью, осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

SIM-карта (Subscriber Identification Module) представляет собой пластиковую смарт-карту с чипом, на котором содержится информация, которая идентифицирует уникального абонента в сотовой сети. Кроме того, Ha SIM-карте находится различная информация, например, записная книжка с телефонами (количество зависит от конкретного оператора и карты; обычно это — 100 номеров). Без SIM-карты телефон можно использовать только для экстренных звонков — таких, как вызов милиции и скорой помощи. Размеры карты 25x15 мм, толщина 1 мм. Карта программируется сотовым оператором и имеет свой номер, который для пользователя не представляет почти никакого интереса. Важны только те коды, которые даются с SIM-картой: PIN-код и PUK-код.

PIN-код (Personal Identity Number) — персональный идентификационный номер. После того как SIM-карта вставлена в телефон и включено питание, на дисплее любого телефона появится сообщение: «Введите пин—код». После этого у пользователя есть три попытки для правильного ввода идентификационного номера. Если этот номер не введен с трех попыток, то SIM-карта телефона будет заблокирована. Разблокировать SIM-карту можно, лишь зная PUK-код. PIN-код рекомендуется выучить наизусть!

PUK-код (Personal Unlock Key) — персональный ключ разблокировки. При блокировке SIM-карты телефона ее можно разблокировать только вводом PUK-кода, на это у пользователя есть десять попыток, после чего, если код все время вводился неправильно, SIM-карта блокируется полностью. Чтобы разблокировать ее после этого, придется обратиться к оператору сотовой сети.